光合細菌生物膜生長特性實驗及模擬.pdf

1、隨著經濟發(fā)展和人類對能源需求的日益增加，對清潔能源的開發(fā)與應用是大勢所趨，而氫能作為一種潔凈的可再生的能源，具有非常大的發(fā)展?jié)摿?。光合細菌可以在光能的驅動下降解有機廢物為氫氣，實現污染治理的資源化利用；利用光合細菌生物膜反應器能有效地完成有機廢物的處理，同時高效地產生清潔的能源氫氣，這在有機廢物的綜合利用和環(huán)境保護方面是很有前途的處理技術。
　　本文針對光合細菌在平板式生物膜反應器中的生長過程，采用在線觀察光合細菌生物膜微觀結構和

2、離線分析生物膜生長特性參數相結合的方法，實驗研究了在不同的入射光波長、強度、循環(huán)液流量和底物濃度條件下，高效光合產氫細菌生物膜在固體基質表面上生長特性，討論了其對沼澤紅假單胞菌生物膜表面覆蓋率、膜厚、干重和密度的影響。在實驗研究的基礎上，采用元胞自動機模型對生物膜生長過程中的生長結構和形態(tài)進行了模擬。本研究工作的開展，揭示了光合細菌在固體基質表面上的吸附及生長機理，同時為光合細菌生物膜反應器的掛膜啟動提供實驗依據，并且為污水處理和光生物

3、制氫技術的發(fā)展提供基礎性材料。實驗和模擬研究所取得的主要研究成果如下：
　　1）當光照波長范圍為420nm-590nm時，在相同時間間隔內，生物膜表面覆蓋率隨著光照波長的增加而增加；光照波長對生物膜干重的影響很小，在實驗運行4天后，生物膜的厚度隨波長的增加而減?。还庹詹ㄩL越長，生物膜密度越高。
　　2）當入射光強度范圍為1000lx-8000lx時，在相同實驗運行時間，5000lx條件下生物膜覆蓋率最高；當光強小于5000l

4、x時，實驗運行4天后，生物膜干重、密度隨光強的增加而增加，膜厚隨光強的增加而減??；8000lx條件下生物膜干重、厚度最低，密度與1000lx條件下差別不明顯。
　　3）當循環(huán)液流量為37.8 ml·h-1-1080 ml·h-1時，在相同實驗運行時間，生物膜覆蓋率隨流量的增加先增加后減?。划斄髁看笥?28 ml·h-1時，循環(huán)液流量對生物膜生長特性參數影響不大；當流量為37.8 ml·h-1時，生物膜厚度最大，密度最低。
　

5、　4）當底物濃度為0.05 g·L-1-10 g·L-1時，在相同實驗運行時間，10 g·L-1條件下的生物膜覆蓋率最高；底物濃度對生物膜干重及厚度影響規(guī)律不明顯，但生物膜密度隨底物濃度的增加而增加。
　　5）在各種影響參數中，光照條件對光合細菌形態(tài)和生物膜結構影響最大，當入射光波長為420nm時，光合細菌的分裂增殖及生長代謝功能受到抑制，進而使個體細菌形態(tài)和相應的生物膜結構發(fā)生變化；當入射光強度為8000lx時，生物膜變?yōu)閺碗s的

6、長條狀不規(guī)則結構，且生物膜覆蓋率最低。循環(huán)液流量對光合細菌在固液界面的成膜速率影響最大，當流量為37.8 ml·h-1時，生物膜生長最慢，但生長速率并非隨流速的增加而增加。底物限制性條件可促使懸浮光合細菌以固定化方式生長，且生物膜結構疏松，這是光合細菌應對不利環(huán)境的生存戰(zhàn)略。
　　6）結合光合細菌生長和生物膜內底物擴散的控制方程，建立了光合細菌生物膜生長的元胞自動機模型，對光合細菌生物膜在不同實驗工況下的生長過程進行了數值模擬，模